快中子脈衝堆

基本介紹

• 中文名：快中子脈衝堆
• 外文名：Fast Pulse (Burst)Reactor
• 別稱：快脈衝堆
• 原理：超瞬發臨界熱膨脹自熄滅

原理

脈衝堆(Pulsed Reactors)定義為能重複產生可控制的核裂變脈衝的一種裝置或核反應堆，其中子和γ核輻射脈衝半高寬為幾微秒到幾毫秒。它是美國和前蘇聯在20世紀50年代為了研究核系統在超瞬發臨界下的特性和研究物質、材料和器件在瞬發脈衝中子、γ輻射下的性質而發展起來的一種裝置。按照這個定義有三類裝置可以稱為脈衝堆：非周期性超瞬發脈衝堆(Burst Reactors, BR)、周期性超瞬發脈衝堆(Periodic Pulsed Reactors, PPR)和外脈衝中子源激勵的倍增裝置(Boosters)。上述第一類脈衝堆中引起核裂變的中子以快中子為主的脈衝堆稱為快中子脈衝堆(FBR)。

快中子脈衝堆爆發脈衝的機理主要是熱膨脹自熄滅機制。

爆發脈衝的原理與槍式核子彈（如圖）的原理類似，將一塊裂變材料組成的部件快速靠近或插入另一塊部件，使其組成的系統達到超瞬發臨界狀態，從而產生裂變鏈式反應。

槍式核子彈的原理

當一個裂變部件（稱為脈衝棒）完全插入堆芯後脈衝堆的瞬發中子增殖因子大於1，因此，根據反應堆動態學，堆內裂變率就以指數函式的形式極快地增長，增長的倍周期通常在幾微秒到幾十微秒之間，也就是幾微秒到幾十微秒反應堆的裂變反應率就增長一倍。與此同時，堆燃料部件的溫度也快速增高，致使堆芯部件逐漸膨脹，使堆具有負反應性溫度係數，因此堆系統的反應性逐漸減少。當堆系統反應性減少到瞬發臨界狀態時，堆內裂變率達到最大值，隨著堆體溫度繼續升高，堆系統反應性繼續下降，減至瞬發臨界以下後，堆內裂變率隨之下降，這樣形成了一個很強的脈衝中子和γ輻射。上述脈衝過程在數十微秒到數百微秒的時間內完成。

快中子脈衝堆由固定部分、主安全塊、輔助安全塊、脈衝棒和控制棒等組成。第一個用於產生強-短裂變脈衝的反應堆是Godiva，該裝置活性區為球形結構，所使用的高濃縮鈾的質量約53kg，U富集度93%。活性區於1951年建成並用於臨界質量測量以及其它核物理參數測量，最初沒有打算用於爆發裂變脈衝。Godiva裝置大致可分成質量基本相近的三塊。中間為固定支撐在鋼管上的不動塊，內部設定有一個比較小的樣品孔槽以及控制棒孔槽。上、下塊可通過氣動傳動系統驅動，這兩個部分也同時起獨立的事故保護功能。Godiva裝置裂變脈衝產額1e16裂變，脈衝半高寬約100μs，脈衝下活性區外表面中子注量2×10cm。如圖是第一個快中子脈衝堆Godiva的結構示意圖。

類型

第一代快中子脈衝堆採用純鈾金屬作堆芯材料，第二代則採用鈾鉬合金，使脈衝產額從1.5e16增加到1e17~1e18，第三代快中子脈衝堆採用核燃料和其它材料相間分布，則按照Shabalin 的期望，脈衝產額還可以提高兩個量級。

純鈾金屬型快中子脈衝堆是指堆芯組件主要是由高富集U的純鈾金屬製造成的快中子脈衝堆。這類脈衝堆允許的脈衝產額較低，通常在2×10裂變以下，是快中子脈衝堆最初的類型，因此，有些文獻中稱它們為第一代快中子脈衝堆，或稱作為低產額快中子脈衝堆。這類快中子脈衝堆包括Godiva I(Lady Godiva)、Godiva II、SPR、Kukla、Fran、CFBR-I和CFBR-II堆。

第一代快中子脈衝堆的脈衝裂變產額受鑄造鈾金屬的抗衝擊強度和熱循環穩定性所限制。為了提高每次脈衝的裂變產額，獲得更高的積分中子通量，在1961年以後，美國研製出了一種鈾鉬合金(U富集度為93.5%的金屬鈾和質量分數為10%的鉬的合金)。這種材料製成的燃料部件不僅具有較高抗衝擊強度，而且在重複高溫(約500℃)循環條件下具有較小的晶體生長和極好的相變穩定性。因此，自從1962年美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)用這種材料建造成了保健物理研究堆(HPRR)以後，美國的其它實驗室，以及前蘇聯的VNIITF和VNIIEF和英國、法國等都相繼用這種材料建造了快中子脈衝堆。我們稱這類脈衝堆為鈾鉬合金型脈衝堆，又稱它們為第二代脈衝堆或高產額脈衝堆，這類快中子脈衝堆包括美國的HPRR、Molly-G、Super Kukla、Godiva-IV、SPR-II、APRFR、SPR-III、SPR-IV、SKUA、SPR-IIIM，俄羅斯的BIR-1、BIR-2M、TIBR、BR-1、GIR-1和GIR-2，法國的Caliban和英國的VIPER。

單次快中子脈衝堆可達到的最高中子通量與堆芯區可允許的功率密度成正比，與巨觀裂變截面成反比。中子通量與積分中子通量成正比，與脈衝寬度成反比。因此，高積分中子通量和高中子通量水平的脈衝堆必須選擇耐高溫、裂變材料與非裂變元素搭配合適、在熱衝擊下韌性高的材料作堆芯部件。如美國LLNL建造的Super Kukla脈衝堆就選用了U富集度為20wt%的鈾與質量分數為10%的鉬合金材料作堆芯，而獲得了很高的脈衝產額。但是實驗表明，堆芯區部件最好的成份是足夠純的碳核與U核之比為20的鈾-碳化物。1977年VNIIEF設計建造的BIGR (БИΓР)，就是選用了近似這樣成分的材料的獨特的快脈衝堆。它的堆芯材料是一種壓緊的二氧化鈾與石墨的均勻混合物，石墨核數目與U的核數目比為16，U的富集度為約90%。該堆是目前世界上脈衝產額最高，可利用積分中子通量最高的快中子脈衝堆，這些性能比其它快中子脈衝堆要高約10倍。

套用領域

快中子脈衝堆主要作為實驗室的核爆模擬輻射源，其輻射場能較好地模擬高空核爆炸的核輻射環境，快中子脈衝堆主要套用於：(1) 電子系統和部件的抗核輻射能力的檢驗；(2) 核輻射生物學效應和輻射劑量學研究；(3)堆泵浦雷射技術和堆泵浦強雷射驅動源概念設計研究；(4)臨界事故報警器和劑量儀的檢驗或校核；(5)堆物理研究和裂變核碎片的參數測量；(6)新概念武器的探索研究；(7)中子照像；(8)培訓。

用快中子脈衝堆提供近裂變譜中子參考輻射場，還可以用於輻射防護儀表的校準；提供強脈衝中子輻射場，用於核臨界事故報警儀等的檢定；提供倍周期從50μs到上千秒的指數增長中子信號，用於反應堆周期儀的檢定和校準；提供強脈衝中子，用於輻射探測技術研究和測量系統的檢定和校準。

歷史沿革

發展脈衝反應堆的歷史最早可追溯到曼哈頓計畫（美國研製第一顆核子彈的計畫）時期，1945年1月在O. 弗里希領導下，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室第一次實現了可控的重核的超瞬發鏈式裂變反應。該裝置由高濃縮鈾氫化物和聚乙烯材料製成。裝置可動部分是一根通過上方約6m處的電磁鐵驅動的含有高濃縮鈾材料的棒，裝置固定部分布置在基礎平台上。當電磁鐵電流被截斷時，棒以接近自由落體運動的速度下落並飛越裝置中的一個孔道。整個實驗系統被調整到這樣的狀態，即當棒飛越活性區孔道時，裝置在短時間內處在超瞬發臨界狀態並爆發裂變脈衝。當棒從孔道中飛出時裂變脈衝隨之中止。根據中子脈衝波形，實驗人員估計出了致裂變前瞬發中子壽命。

後來一件偶然事件幫忙闡明了取得自猝滅強中子脈衝的可行性問題。1952年洛斯阿拉莫斯實驗室在無反射體含鈾部件裝置JEMIMA上發生了一起沒有預計到的超瞬發臨界事故。事故脈衝能量約1.5e16裂變。裝置的控制與診斷系統沒有被破壞，裝置結構沒有發生變化，沒有人員受到照射，沒有發現放射性產物從活性區中釋放出來。對這次事故進行分析表明，在小型金屬活性區裝置中存在自猝滅機制，最後於1953年對已有的Godiva裝置進行了改造以便產生短脈衝中子輻射。可以認為Godiva裝置是第一個自猝滅脈衝反應堆。

從第一座快中子脈衝堆Godiva 於1953 年在洛斯阿拉莫斯實驗室(LANL)建成以來，據不完全統計，至今全世界有26 座快中子脈衝堆運行過或還正在運行。

現在五個核大國均有快中子脈衝堆正在運行。美國正在運行的有Godiva IV快中子脈衝堆和White Sands實驗場(WSMR)的脈衝堆Molly-G(有的文獻中簡稱FBRF)，俄羅斯有BARS-5和GIR-2，法國的Caliban，英國的VIPER，中國的CFBR-II堆。

美國的Godiva IV快中子脈衝堆

發展前景

建造周期性脈衝反應堆的想法最初是由俄羅斯的Д.И. Блохинцев（Д.И. 布洛欣岑夫）於1955年提出的，反應堆以50Hz的頻率運行，創造條件在比較短的時間內使反應堆爆發超瞬發裂變脈衝，而在其它時間反應堆處在深次臨界狀態。ИБР-2堆是世界上用於中子科學研究的強度比較高的脈衝中子源之一，該裝置的平均功率4MW，當重複頻率為5Hz時脈衝半高寬92μs，每發脈衝中子數2.5×10。

裂變脈衝寬度更短、功率更高的裝置是反應堆-增殖裝置（Booster）-運行在次瞬發臨界並對獨立外中子源的中子進行增殖的裝置。最初建造Booster裝置的想法是由英國人哈魯埃爾在60年代提出的，即將能量15MeV的電子束輸入到中子增殖因子K～0.9的次臨界裝置中，當電子束與活性區材料相互作用產生韌致輻射時通過（γ，n）、（γ，f）反應產生中子，所產生的中子在增殖裝置內放大10倍，最終產生脈衝寬度0.25μs的中子脈衝。這是一個具有比較高的重複頻率的周期性重複脈衝運行的反應堆-增殖裝置。美國的APFA裝置（accelerator pulsed fast assembly），該裝置將強流電子加速器和快中子次臨界裝置組合起來運行，次臨界裝置的活性區套用的是改造後的KUKLA脈衝反應堆。

中國快中子脈衝堆(CFBR-II堆)

中國快中子脈衝堆(China Fast Burst Reactor - II，簡稱CFBR-II堆)由中國工程物理研究院核物理與化學研究所營運，自1989年建成後，在該堆上開展了多項研究，完成了大量輻照實驗。該堆可在穩態和脈衝兩種方式下運行。穩態運行額定功率300W；脈衝運行時，額定脈衝產額為1.3×10裂變。兩種運行工況下的典型輻照位置的輻射場參數見表1。

表1 CFBR-II堆輻射場參數

運行狀態	位置	中子; 注量; cm	中子; 注量率; cm·s	中子脈衝半寬度; μs	中子; 平均能量; MeV	γ; 吸收劑量; Gy	γ; 吸收劑量率; Gy·s	γ脈衝; 半高寬; μs	γ; 平均能量; MeV
額定產額脈衝運行	輻照腔	1.0×10	3.1×10	194	1.38	210	8.5×10	194	0.9
	堆表面	1.0×10	4.0×10	194	1.12	10	1.5×10	194	0.9
300W運行1h	輻照腔	2.0×10	5.6×10	——	1.38	431	——	——	0.9
	堆表面	2.0×10	5.6×10	——	1.12	20	——	——	0.9

CFBR-II堆照片

CFBR-II的典型輻照位置有三個，輻照腔、輻照孔道和表面，當樣品尺寸較小時，可以放置在輻照腔或輻照孔道內進行高劑量的輻照；在表面可以提供直徑150mm的半球殼的空間用於輻照；當樣品較大時，還可以放在堆外一定位置輻照。

在典型輻照位置分別用活化箔和熱釋光劑量計實際監測樣品輻照的中子注量和γ吸收劑量。當樣品對中子能譜影響比較大時，還可以實際監測中子能譜。

提供專門的可以改變中子注量和γ吸收劑量比值的輻照裝置，可以使輻照樣品處的中子注量和γ吸收劑量比值在1.0×10cm·Gy～4.0×10cm·Gy之間變化。

典型的電子器件在中子注量6×10cm輻照後12h，其感生放射性基本衰減完全，對工作人員的產生的劑量可以忽略。